JP4233920B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの部材（例えば、回転部材と非回転部材）の相対回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転角度検出装置の概略構造を図１０、図１１を参照して説明する。
図１０の回転角度検出装置は、回転角度０°における概略図であり、略円筒形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のヨークＪ1 の分割部（磁石配置ギャップ）に同一方向に磁極の向く磁石Ｊ2 が配置されたロータＪ3 と、このロータＪ3 の内部に配置され、略円柱形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のステータコアＪ4 の分割部（磁気検出ギャップ）にホールＩＣＪ5 （磁気検出素子の一例であるホール素子が組み込まれたＩＣ）が配置されたステータＪ6 とを備える。
【０００３】
図１１の回転角度検出装置は、回転角度９０°における概略図であり、一方から他方へ磁束が流れる半円筒形状を呈した２つの磁石Ｊ2 自身で構成されるロータＪ3 と、このロータＪ3 の内部に配置され、略円柱形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のステータコアＪ4 の分割部（磁気検出ギャップ）にホールＩＣＪ5 が配置されたステータＪ6 とを備える。
【０００４】
回転角度検出装置における典型的な回転角度と、ホールＩＣＪ5 を通過する磁束密度（以下、ホールＩＣＪ5 を通過する磁束密度を単に磁束密度と称す）との関係を図２（ａ）に示す。
回転角度に対して磁束密度がサインカーブを描く場合、その磁束密度の変化は、磁束密度の変化を直線にした理想直線に対し、図２（ｂ）の破線Ａに示す偏差特性を描く。この破線Ａから読み取れるように、磁束密度は６０°以上で大きく低下するため、検出角度範囲は狭くなってしまう。
【０００５】
そこで、ステータコアＪ4 の外径形状や、ヨークＪ1 の内径形状を変更させて、回転角度９０°側の磁束密度を高めて、検出角度範囲を広くする工夫が成されている。
具体的に図１０に示す回転角度検出装置では、ヨークＪ1 を略楕円形状に設けることで、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広めるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、図１１に示す回転角度検出装置では、半円筒形状の磁石Ｊ2 を半径方向に着磁（ラジアル着磁）することで、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広めるようにしている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３１７９０９公報
【特許文献２】
特開２００１−２０８５１０公報
【特許文献３】
特開２００１−１８８００３公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
磁束密度からロータＪ3 の回転角度を検出する場合、検出精度を高めるには、検出角度範囲における磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する必要がある。しかし、上述したように、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置における磁束密度の変化特性は、図２（ｂ）の実線Ｂに示すように、理想直線に対する偏差が一定でなく、回転角度７０°前後で急激に膨らむ特性になってしまうため、広い範囲での直線性が得られないという問題がある。
そこで、ステータコアＪ4 の外径形状や、ヨークＪ1 の内径形状を変更させて、回転角度７０°〜８０°付近における偏差を直線的に工夫すると、図２（ｃ）に示すように回転角度８０°以上で特性線が急激に低下し、検出角度範囲が狭くなってしまう。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、所定の回転角度の磁束密度を低くコントロールすることを目的とするものであり、検出角度範囲を広めた回転角度検出装置に用いられて、回転角度に対する磁束密度の直線性を高めるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１、２の手段〕
上述したように、検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置では、理想直線に対する偏差は一定ではない。
そこで、請求項１、２の手段を採用することにより、磁気検出素子に対する磁力発生手段の回転角度が、理想直線に対して磁束が大きくなる回転角度範囲で磁束の一部が外部磁性体に流れるため、偏差を抑えることができる。この結果、回転角度に対する磁束密度の直線性を高めることができる。
即ち、回転角度範囲を広めた回転角度検出装置において、磁束密度の直線性を高めることができ、結果的に検出精度を高めることができる。
【００１０】
〔請求項３の手段〕
外部磁性体をヨークの外周位置に配置しても良い。
【００１１】
〔請求項４の手段〕
外部磁性体を磁石の外周位置に配置しても良い。
【００１２】
〔請求項５の手段〕
外部磁性体を軸方向でヨークと対面する位置に配置しても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。なお以下では、請求項１の発明を適用した例を第１〜第７実施例を用いて説明し、請求項２の発明を適用した例を第８〜第１２実施例を用いて説明する。
【００１４】
［第１実施例］
図１〜図３を用いて第１実施例を説明する。まず、図１を参照して回転角度検出装置の基本構成を説明する。なお、図１は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°位置）である。
回転角度検出装置は、例えばスロットルバルブの開度を検出するものであり、スロットルバルブのシャフトと一体に回転する略筒状のロータ１（回転部材）と、固定されたステータ２（非回転部材）とを備える。
【００１５】
ロータ１は、ステータ２の周囲に同芯的に配置されたものであり、ロータ１とステータ２との間は、接触しないように隙間が設けられている。このロータ１は、直径方向に分割された断面が略円筒状を呈した磁性体製（例えば、鉄）のヨーク３と、２つの対向する分割部（磁石配置ギャップ４）のそれぞれに配置された同一方向に磁極の向く磁石５（永久磁石）とから構成される。ロータ１は、このような構成を採用することにより、分割されたヨーク３の一方がＮ極の極性を持ち、分割されたヨーク３の他方がＳ極の極性を持つ。
【００１６】
ステータ２は、ロータ１の中心に同芯的に配置されたステータコア６と、このステータコア６を通過する磁束密度を検出するホールＩＣ７とからなる。
ステータコア６は、直径方向に分割された略円柱状または多角形状を呈した磁性体製（例えば鉄）であり、その分割部（磁気検出ギャップ８）に２つのホールＩＣ７を固定配置するものである。
このホールＩＣ７は、ホール素子（磁気検出素子の一例）と信号増幅回路とを一体化したＩＣであり、ホールＩＣ７を通過する磁束密度に応じた電圧信号を出力する。
【００１７】
ここで、ひとまず上記構成（後述する外部磁性体１１を搭載しない構成）における回転角度検出装置の基本作動を説明する。なお、この作動説明では、磁石配置ギャップ４と磁気検出ギャップ８とが直線上に一致する位置（図１参照）の回転角度を０°とする。
【００１８】
ロータ１が回転角度０°の状態から９０°左回転（プラス側への回転）し、磁石配置ギャップ４と磁気検出ギャップ８とが直線上に一致する位置（この位置の回転角度は９０°）において、磁石５のＮ極→ヨーク３の一方→ステータコア６の一方→磁気検出ギャップ８→ステータコア６の他方→ヨーク３の他方→磁石５のＳ極の経路で磁束が流れる磁気回路が形成される。
上記の状態から、スロットルバルブとともにロータ１が回転すると、ステータコア６の一方のみに流れる磁束が増えるようになるため、磁気検出ギャップ８を通過する磁束が減る。
【００１９】
即ち、図２（ａ）に示すように、ロータ１の回転角度が９０°の時にホールＩＣ７を通過する磁束密度が最大になり、ロータ１の回転角度が９０°より増加しても、逆に９０°より減少しても、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する磁束量が減少し、ホールＩＣ７を通過する磁束密度が減少する。
そして、回転角度が０°の位置（図１参照）では、磁束は完全にステータコア６の一方のみを流れ、ステータコア６の一方から他方へは流れなくなる。即ち、磁気検出ギャップ８を磁束が通過しなくなり、ホールＩＣ７を通過する磁束密度が０になる。
【００２０】
さらに、ロータ１が回転角度０°よりも右回転（マイナス側への回転）すると、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する反対方向の磁束量が増加し、ロータ１の回転角度が−９０°の時にホールＩＣ７を通過する逆向きの磁束密度が最大になる。
ロータ１が回転角度−９０°よりもさらに右回転すると、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する反対方向の磁束量が減少を始め、ホールＩＣ７を通過する逆向きの磁束密度が減少する。
【００２１】
（第１実施例の特徴）
従来技術の項でも説明したように、回転角度に対してホールＩＣ７を通過する磁束密度がサインカーブを描く場合、その磁束密度の変化は、磁束密度の変化を直線にした理想直線に対し、図２（ｂ）の破線Ａに示す偏差特性を描く。この破線Ａから読み取れるように、磁束密度は６０°以上で大きく低下するため、検出角度範囲は狭くなってしまう。
そこで、ステータコア６の外径形状や、ヨーク３の内径形状を変更させて、回転角度９０°側の磁束密度を高めて、検出角度範囲を広くする工夫が成されている。
【００２２】
本実施例では、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くする手段として、ヨーク３の形状を工夫している。具体的に、図１に示すように、ヨーク３は、略楕円形状に設けられており、分割されたヨーク３の中心部分（２つの磁石５の中間部分のヨーク３）において、最もステータコア６に接近するように設けられている。このように設けることにより、回転角度９０°側の磁束密度が増すため、検出角度範囲を広くできる。
【００２３】
ホールＩＣ７を通過する磁束密度によってロータ１の回転角度を検出する場合、検出精度を高めるには、検出角度範囲における磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する必要がある。
しかし、上述したように、検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置におけるホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性は、回転角度９０°側の磁束密度を増加させたため、図２（ｂ）の実線Ｂに示すように、理想直線に対する偏差が一定でなく、回転角度７０°前後で急激に膨らむ特性になってしまい、広い範囲での直線性が得られない。
一方、ステータコア６の外径形状や、ヨーク３の内径形状を変更させて、回転角度７０°〜８０°付近における偏差を直線的に工夫すると、図２（ｃ）に示すように回転角度８０°以上で特性線が急激に低下し、検出角度範囲が狭くなってしまう。
【００２４】
そこで、本願発明者らは、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を減らすことで、回転角度を広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する手段を考案した。
この実施例では、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度」の時に磁石５の発生する磁束の一部を流す外部磁性体１１（例えば、直方体形状の鉄）を設けている｛図３（ａ）参照｝。
第１実施例の外部磁性体１１は、例えば直方体形状の鉄部材であり、ロータ１の外周位置でロータ１と接触しないように固定部材（例えば、スロットルバルブのケースに固定される部材）に組付けられている。
【００２５】
ここで、「所定の回転角度」とは、理想直線に対して磁束の大きくなるロータ１の回転角度であり、この実施例では７０°付近に相当する。
なお、この実施例では、ホールＩＣ７を２つ搭載するものであるため、２つの磁石５のそれぞれに対応した外部磁性体１１を設ける例を開示している。しかし、ホールＩＣ７を１つだけ軸芯に配置するものであれば、外部磁性体１１が１つであっても「所定の回転角度」（例えば、７０°付近）においてホールＩＣ７を通過する磁束を弱める効果があるため、外部磁性体１１を１つにしても良い。
【００２６】
本実施例では、上述したような外部磁性体１１を設けることにより、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を減らすことができ、回転角度を広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性を直線（リニア）化できる。
具体的な作動を説明する。
ロータ１の回転角度０°〜４０°付近までは、図１に示されるように、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αだけである。
【００２７】
磁石５が外部磁性体１１に近づく回転角度、即ちロータ１の回転角度４０°〜８０°付近、特に７０°付近では、図３（ａ）に示されるように、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αの他に、外部磁性体１１を通る副磁束βが発生する。この時、理想直線に対して余剰であった主磁束αが副磁束βの発生により減少するため、図３（ｂ）に示されるように、主磁束αの磁束変化を理想直線に近づけることができる。
【００２８】
ロータ１の回転角度８０°付近以上では、磁石５と外部磁性体１１とは再び離れるため、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αだけになる。即ち、ロータ１の回転角度８０°付近以上では、副磁束βによる主磁束αの低下が発生しないため、図２（ｂ）に示されるように、検出角度範囲が狭くなる不具合が発生しない。
【００２９】
（第１実施例の効果）
このように、本実施例の回転角度検出装置は、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くするとともに、固定部材に外部磁性体１１を設けて理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を外部磁性体１１に流すように設けたことにより、検出角度範囲を０°〜９０°までと広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性をほぼ直線（リニア）にすることができる。
これによって、スロットルバルブの回転角度を広範囲で、且つ高精度で検出することが可能になる。
【００３０】
［第２実施例］
図４を用いて第２実施例を説明する。なお、図４（ａ）は回転角度検出装置を回転の軸方向に沿った断面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図４（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。なお、この第２実施例以降における第１実施例と同一符号は、特に説明を加えない限り同一機能物を示すものである。この図４の回転角度は９０°である。
【００３１】
上記の実施例では、外部磁性体１１をロータ１の周囲に配置する例を示した。これに対し、この第２実施例では、外部磁性体１１をロータ１の内側で、且つロータ１より軸方向に離れた位置に配置したものである。
具体的にこの実施例の外部磁性体１１は、図４（ｃ）に示す形状に加工された磁性体プレート（例えば、鉄板）であり、ステータコア６と同芯に配置されたものである。
このように設けても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、図４（ａ）の符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、非磁性体（例えば樹脂）であり、この実施例ではステータコア６と外部磁性体１１との間に非磁性体１２ｂを介在させる例を示したが、外部磁性体１１をステータコア６の端面に配置しても良い。
【００３２】
［第３実施例］
図５を用いて第３実施例を説明する。この図５は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１実施例では、外部磁性体１１を直方体に設けた例を示した。
これに対し、この第３実施例では、外部磁性体１１を円弧状に設けたものである。このように設けても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
［第４実施例］
図６を用いて第４実施例を説明する。この図６は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１実施例では、ロータ１の回転角度が７０°付近で磁石５と外部磁性体１１とが最も接近するように設けた例を示した。
しかるに、本発明は、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を外部磁性体１１で減らして、磁束密度の変化特性を直線（リニア）化できるものである。そのため、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲が７０°付近以外の場合は、その理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲に外部磁性体１１を配置するものである。
即ち例えば、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲が３０°付近の場合は、図６に示すように、ロータ１の回転角度が３０°付近で磁石５と外部磁性体１１とが最も接近するように設けるものである。
【００３４】
［第５実施例］
図７を用いて第５実施例を説明する。この図７は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度９０°）である。
上記の第１〜第４実施例では、２分割されたステータコア６の間に形成される磁気検出ギャップ８にホールＩＣ７を配置した例を示した。
この第５実施例は、３分割されたステータコア６の間に形成される３つの磁気検出ギャップ８のうち、２つの磁気検出ギャップ８にホールＩＣ７を配置したものである。このような構成を採用する回転角度検出装置でも、第１実施例と同様、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度範囲」（例えば７０°付近）の時、理想直線に対して磁束が大きくなる。そこで、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度」（例えば７０°付近）で磁石５と最も接近するように外部磁性体１１を設けたものである。
即ち、３分割されたステータコア６を採用する回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
［第６実施例］
図８を用いて第６実施例を説明する。この図８は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１〜第５実施例では、ステータコア６を用いた回転角度検出装置を例に示した。
これに対し、この第６実施例は、ステータコア６を用いないタイプの回転角度検出装置である。このようにステータコア６を用いない回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
［第７実施例］
図９を用いて第７実施例を説明する。この図９は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度９０°）である。
上記の第１〜第６実施例では、ヨーク３を略楕円に設けることで、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広げた例を示した。
これに対し、この第７実施例は、ヨーク３を用いず、半円筒形状を呈した２つの磁石５で略円筒形状のロータ１を構成したものである。
【００３７】
２つの磁石５は、一方の磁石５からステータ２を介して他方の磁石５へ磁束が流れるように着磁されるものであり、さらに回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くするために半径方向に着磁されたものである（ラジアル着磁）。
このように、ラジアル着磁された２つの磁石５によってロータ１を構成するタイプの回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
〔変形例〕
上記の実施例では、ステータ２を固定し、ロータ１を回転させた例を示したが、逆にロータ１に相当する筒状部材を固定し、ステータ２に相当する棒状部材を回転させる構造を採用しても良い。言い換えれば、磁気検出素子（実施例ではホールＩＣ７）を回転させ、磁力発生手段（磁石５の側）を固定して磁気検出素子の出力から回転角度を検出しても良い。
上記の実施例では、磁気検出素子（実施例ではホールＩＣ７）を２つ搭載した例を示したが、１つ以上であれば良い。また、磁気検出素子（例えば、ホールＩＣ７）のみを磁気検出ギャップ８に配置し、信号増幅回路をステータ２の外部に配置しても良い。つまり、例えば、信号増幅回路を制御装置内に設けても良い。
【００４５】
上記の実施例では、磁石５を永久磁石によって構成した例を示したが、電磁石によって構成しても良い。
上記の実施例では、回転角度検出装置の具体的な一例としてスロットルバルブの開度を検出する例を示したが、産業ロボットのアーム部の回転角度等、他の回転角度を検出するように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第１実施例）。
【図２】磁束密度と回転角度との関係を示すグラフである（第１実施例）。
【図３】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図、および磁束密度と回転角度との関係を示すグラフである（第１実施例）。
【図４】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う断面図、およびそのＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である（第２実施例）。
【図５】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第３実施例）。
【図６】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第４実施例）。
【図７】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第５実施例）。
【図８】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第６実施例）。
【図９】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第７実施例）。
【図１０】 回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第１従来例）。
【図１１】 回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第２従来例）。
【符号の説明】
１ ロータ（磁力発生手段）
２ ステータ
３ ヨーク
５ 磁石
６ ステータコア（コア）
７ ホールＩＣ（磁気検出素子に相当するホール素子が内蔵されたＩＣ）
８ 磁気検出ギャップ（コアの分割部）
１１ 外部磁性体
１３ 磁気ショートカット部
α 主磁束
β 副磁束
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの部材（例えば、回転部材と非回転部材）の相対回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転角度検出装置の概略構造を図１０、図１１を参照して説明する。
図１０の回転角度検出装置は、回転角度０°における概略図であり、略円筒形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のヨークＪ1 の分割部（磁石配置ギャップ）に同一方向に磁極の向く磁石Ｊ2 が配置されたロータＪ3 と、このロータＪ3 の内部に配置され、略円柱形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のステータコアＪ4 の分割部（磁気検出ギャップ）にホールＩＣＪ5 （磁気検出素子の一例であるホール素子が組み込まれたＩＣ）が配置されたステータＪ6 とを備える。
【０００３】
図１１の回転角度検出装置は、回転角度９０°における概略図であり、一方から他方へ磁束が流れる半円筒形状を呈した２つの磁石Ｊ2 自身で構成されるロータＪ3 と、このロータＪ3 の内部に配置され、略円柱形状を呈して直径方向に分割された磁性体製のステータコアＪ4 の分割部（磁気検出ギャップ）にホールＩＣＪ5 が配置されたステータＪ6 とを備える。
【０００４】
回転角度検出装置における典型的な回転角度と、ホールＩＣＪ5 を通過する磁束密度（以下、ホールＩＣＪ5 を通過する磁束密度を単に磁束密度と称す）との関係を図２（ａ）に示す。
回転角度に対して磁束密度がサインカーブを描く場合、その磁束密度の変化は、磁束密度の変化を直線にした理想直線に対し、図２（ｂ）の破線Ａに示す偏差特性を描く。この破線Ａから読み取れるように、磁束密度は６０°以上で大きく低下するため、検出角度範囲は狭くなってしまう。
【０００５】
そこで、ステータコアＪ4 の外径形状や、ヨークＪ1 の内径形状を変更させて、回転角度９０°側の磁束密度を高めて、検出角度範囲を広くする工夫が成されている。
具体的に図１０に示す回転角度検出装置では、ヨークＪ1 を略楕円形状に設けることで、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広めるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
あるいは、図１１に示す回転角度検出装置では、半円筒形状の磁石Ｊ2 を半径方向に着磁（ラジアル着磁）することで、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広めるようにしている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３１７９０９公報
【特許文献２】
特開２００１−２０８５１０公報
【特許文献３】
特開２００１−１８８００３公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
磁束密度からロータＪ3 の回転角度を検出する場合、検出精度を高めるには、検出角度範囲における磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する必要がある。しかし、上述したように、回転角度９０°側の磁束密度を高めて検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置における磁束密度の変化特性は、図２（ｂ）の実線Ｂに示すように、理想直線に対する偏差が一定でなく、回転角度７０°前後で急激に膨らむ特性になってしまうため、広い範囲での直線性が得られないという問題がある。
そこで、ステータコアＪ4 の外径形状や、ヨークＪ1 の内径形状を変更させて、回転角度７０°〜８０°付近における偏差を直線的に工夫すると、図２（ｃ）に示すように回転角度８０°以上で特性線が急激に低下し、検出角度範囲が狭くなってしまう。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、所定の回転角度の磁束密度を低くコントロールすることを目的とするものであり、検出角度範囲を広めた回転角度検出装置に用いられて、回転角度に対する磁束密度の直線性を高めるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１、２の手段〕
上述したように、検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置では、理想直線に対する偏差は一定ではない。
そこで、請求項１、２の手段を採用することにより、磁気検出素子に対する磁力発生手段の回転角度が、理想直線に対して磁束が大きくなる回転角度範囲で磁束の一部が外部磁性体に流れるため、偏差を抑えることができる。この結果、回転角度に対する磁束密度の直線性を高めることができる。
即ち、回転角度範囲を広めた回転角度検出装置において、磁束密度の直線性を高めることができ、結果的に検出精度を高めることができる。
【００１０】
〔請求項３の手段〕
外部磁性体をヨークの外周位置に配置しても良い。
【００１１】
〔請求項４の手段〕
外部磁性体を磁石の外周位置に配置しても良い。
【００１２】
〔請求項５の手段〕
外部磁性体を軸方向でヨークと対面する位置に配置しても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。なお以下では、請求項１の発明を適用した例を第１〜第７実施例を用いて説明し、請求項２の発明を適用した例を第８〜第１２実施例を用いて説明する。
【００１４】
［第１実施例］
図１〜図３を用いて第１実施例を説明する。まず、図１を参照して回転角度検出装置の基本構成を説明する。なお、図１は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°位置）である。
回転角度検出装置は、例えばスロットルバルブの開度を検出するものであり、スロットルバルブのシャフトと一体に回転する略筒状のロータ１（回転部材）と、固定されたステータ２（非回転部材）とを備える。
【００１５】
ロータ１は、ステータ２の周囲に同芯的に配置されたものであり、ロータ１とステータ２との間は、接触しないように隙間が設けられている。このロータ１は、直径方向に分割された断面が略円筒状を呈した磁性体製（例えば、鉄）のヨーク３と、２つの対向する分割部（磁石配置ギャップ４）のそれぞれに配置された同一方向に磁極の向く磁石５（永久磁石）とから構成される。ロータ１は、このような構成を採用することにより、分割されたヨーク３の一方がＮ極の極性を持ち、分割されたヨーク３の他方がＳ極の極性を持つ。
【００１６】
ステータ２は、ロータ１の中心に同芯的に配置されたステータコア６と、このステータコア６を通過する磁束密度を検出するホールＩＣ７とからなる。
ステータコア６は、直径方向に分割された略円柱状または多角形状を呈した磁性体製（例えば鉄）であり、その分割部（磁気検出ギャップ８）に２つのホールＩＣ７を固定配置するものである。
このホールＩＣ７は、ホール素子（磁気検出素子の一例）と信号増幅回路とを一体化したＩＣであり、ホールＩＣ７を通過する磁束密度に応じた電圧信号を出力する。
【００１７】
ここで、ひとまず上記構成（後述する外部磁性体１１を搭載しない構成）における回転角度検出装置の基本作動を説明する。なお、この作動説明では、磁石配置ギャップ４と磁気検出ギャップ８とが直線上に一致する位置（図１参照）の回転角度を０°とする。
【００１８】
ロータ１が回転角度０°の状態から９０°左回転（プラス側への回転）し、磁石配置ギャップ４と磁気検出ギャップ８とが直線上に一致する位置（この位置の回転角度は９０°）において、磁石５のＮ極→ヨーク３の一方→ステータコア６の一方→磁気検出ギャップ８→ステータコア６の他方→ヨーク３の他方→磁石５のＳ極の経路で磁束が流れる磁気回路が形成される。
上記の状態から、スロットルバルブとともにロータ１が回転すると、ステータコア６の一方のみに流れる磁束が増えるようになるため、磁気検出ギャップ８を通過する磁束が減る。
【００１９】
即ち、図２（ａ）に示すように、ロータ１の回転角度が９０°の時にホールＩＣ７を通過する磁束密度が最大になり、ロータ１の回転角度が９０°より増加しても、逆に９０°より減少しても、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する磁束量が減少し、ホールＩＣ７を通過する磁束密度が減少する。
そして、回転角度が０°の位置（図１参照）では、磁束は完全にステータコア６の一方のみを流れ、ステータコア６の一方から他方へは流れなくなる。即ち、磁気検出ギャップ８を磁束が通過しなくなり、ホールＩＣ７を通過する磁束密度が０になる。
【００２０】
さらに、ロータ１が回転角度０°よりも右回転（マイナス側への回転）すると、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する反対方向の磁束量が増加し、ロータ１の回転角度が−９０°の時にホールＩＣ７を通過する逆向きの磁束密度が最大になる。
ロータ１が回転角度−９０°よりもさらに右回転すると、回転角度に応じて磁気検出ギャップ８を通過する反対方向の磁束量が減少を始め、ホールＩＣ７を通過する逆向きの磁束密度が減少する。
【００２１】
（第１実施例の特徴）
従来技術の項でも説明したように、回転角度に対してホールＩＣ７を通過する磁束密度がサインカーブを描く場合、その磁束密度の変化は、磁束密度の変化を直線にした理想直線に対し、図２（ｂ）の破線Ａに示す偏差特性を描く。この破線Ａから読み取れるように、磁束密度は６０°以上で大きく低下するため、検出角度範囲は狭くなってしまう。
そこで、ステータコア６の外径形状や、ヨーク３の内径形状を変更させて、回転角度９０°側の磁束密度を高めて、検出角度範囲を広くする工夫が成されている。
【００２２】
本実施例では、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くする手段として、ヨーク３の形状を工夫している。具体的に、図１に示すように、ヨーク３は、略楕円形状に設けられており、分割されたヨーク３の中心部分（２つの磁石５の中間部分のヨーク３）において、最もステータコア６に接近するように設けられている。このように設けることにより、回転角度９０°側の磁束密度が増すため、検出角度範囲を広くできる。
【００２３】
ホールＩＣ７を通過する磁束密度によってロータ１の回転角度を検出する場合、検出精度を高めるには、検出角度範囲における磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する必要がある。
しかし、上述したように、検出角度範囲を広げるように工夫した回転角度検出装置におけるホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性は、回転角度９０°側の磁束密度を増加させたため、図２（ｂ）の実線Ｂに示すように、理想直線に対する偏差が一定でなく、回転角度７０°前後で急激に膨らむ特性になってしまい、広い範囲での直線性が得られない。
一方、ステータコア６の外径形状や、ヨーク３の内径形状を変更させて、回転角度７０°〜８０°付近における偏差を直線的に工夫すると、図２（ｃ）に示すように回転角度８０°以上で特性線が急激に低下し、検出角度範囲が狭くなってしまう。
【００２４】
そこで、本願発明者らは、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を減らすことで、回転角度を広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性を直線（リニア）化する手段を考案した。
この実施例では、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度」の時に磁石５の発生する磁束の一部を流す外部磁性体１１（例えば、直方体形状の鉄）を設けている｛図３（ａ）参照｝。
第１実施例の外部磁性体１１は、例えば直方体形状の鉄部材であり、ロータ１の外周位置でロータ１と接触しないように固定部材（例えば、スロットルバルブのケースに固定される部材）に組付けられている。
【００２５】
ここで、「所定の回転角度」とは、理想直線に対して磁束の大きくなるロータ１の回転角度であり、この実施例では７０°付近に相当する。
なお、この実施例では、ホールＩＣ７を２つ搭載するものであるため、２つの磁石５のそれぞれに対応した外部磁性体１１を設ける例を開示している。しかし、ホールＩＣ７を１つだけ軸芯に配置するものであれば、外部磁性体１１が１つであっても「所定の回転角度」（例えば、７０°付近）においてホールＩＣ７を通過する磁束を弱める効果があるため、外部磁性体１１を１つにしても良い。
【００２６】
本実施例では、上述したような外部磁性体１１を設けることにより、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を減らすことができ、回転角度を広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性を直線（リニア）化できる。
具体的な作動を説明する。
ロータ１の回転角度０°〜４０°付近までは、図１に示されるように、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αだけである。
【００２７】
磁石５が外部磁性体１１に近づく回転角度、即ちロータ１の回転角度４０°〜８０°付近、特に７０°付近では、図３（ａ）に示されるように、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αの他に、外部磁性体１１を通る副磁束βが発生する。この時、理想直線に対して余剰であった主磁束αが副磁束βの発生により減少するため、図３（ｂ）に示されるように、主磁束αの磁束変化を理想直線に近づけることができる。
【００２８】
ロータ１の回転角度８０°付近以上では、磁石５と外部磁性体１１とは再び離れるため、磁石５の発生する磁束は、一方のヨーク３→一方のステータコア６→他方のヨーク３を通って磁石５へ戻る主磁束αだけになる。即ち、ロータ１の回転角度８０°付近以上では、副磁束βによる主磁束αの低下が発生しないため、図２（ｂ）に示されるように、検出角度範囲が狭くなる不具合が発生しない。
【００２９】
（第１実施例の効果）
このように、本実施例の回転角度検出装置は、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くするとともに、固定部材に外部磁性体１１を設けて理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を外部磁性体１１に流すように設けたことにより、検出角度範囲を０°〜９０°までと広く保ったまま、ホールＩＣ７を通過する磁束密度の変化特性をほぼ直線（リニア）にすることができる。
これによって、スロットルバルブの回転角度を広範囲で、且つ高精度で検出することが可能になる。
【００３０】
［第２実施例］
図４を用いて第２実施例を説明する。なお、図４（ａ）は回転角度検出装置を回転の軸方向に沿った断面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図４（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。なお、この第２実施例以降における第１実施例と同一符号は、特に説明を加えない限り同一機能物を示すものである。この図４の回転角度は９０°である。
【００３１】
上記の実施例では、外部磁性体１１をロータ１の周囲に配置する例を示した。これに対し、この第２実施例では、外部磁性体１１をロータ１の内側で、且つロータ１より軸方向に離れた位置に配置したものである。
具体的にこの実施例の外部磁性体１１は、図４（ｃ）に示す形状に加工された磁性体プレート（例えば、鉄板）であり、ステータコア６と同芯に配置されたものである。
このように設けても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、図４（ａ）の符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、非磁性体（例えば樹脂）であり、この実施例ではステータコア６と外部磁性体１１との間に非磁性体１２ｂを介在させる例を示したが、外部磁性体１１をステータコア６の端面に配置しても良い。
【００３２】
［第３実施例］
図５を用いて第３実施例を説明する。この図５は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１実施例では、外部磁性体１１を直方体に設けた例を示した。
これに対し、この第３実施例では、外部磁性体１１を円弧状に設けたものである。このように設けても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
［第４実施例］
図６を用いて第４実施例を説明する。この図６は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１実施例では、ロータ１の回転角度が７０°付近で磁石５と外部磁性体１１とが最も接近するように設けた例を示した。
しかるに、本発明は、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲の磁束を外部磁性体１１で減らして、磁束密度の変化特性を直線（リニア）化できるものである。そのため、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲が７０°付近以外の場合は、その理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲に外部磁性体１１を配置するものである。
即ち例えば、理想直線に対して磁束が大きくなる角度範囲が３０°付近の場合は、図６に示すように、ロータ１の回転角度が３０°付近で磁石５と外部磁性体１１とが最も接近するように設けるものである。
【００３４】
［第５実施例］
図７を用いて第５実施例を説明する。この図７は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度９０°）である。
上記の第１〜第４実施例では、２分割されたステータコア６の間に形成される磁気検出ギャップ８にホールＩＣ７を配置した例を示した。
この第５実施例は、３分割されたステータコア６の間に形成される３つの磁気検出ギャップ８のうち、２つの磁気検出ギャップ８にホールＩＣ７を配置したものである。このような構成を採用する回転角度検出装置でも、第１実施例と同様、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度範囲」（例えば７０°付近）の時、理想直線に対して磁束が大きくなる。そこで、ロータ１の回転角度が「所定の回転角度」（例えば７０°付近）で磁石５と最も接近するように外部磁性体１１を設けたものである。
即ち、３分割されたステータコア６を採用する回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
［第６実施例］
図８を用いて第６実施例を説明する。この図８は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度０°）である。
上記の第１〜第５実施例では、ステータコア６を用いた回転角度検出装置を例に示した。
これに対し、この第６実施例は、ステータコア６を用いないタイプの回転角度検出装置である。このようにステータコア６を用いない回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
［第７実施例］
図９を用いて第７実施例を説明する。この図９は回転角度検出装置を回転の軸方向から見た図（回転角度９０°）である。
上記の第１〜第６実施例では、ヨーク３を略楕円に設けることで、回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広げた例を示した。
これに対し、この第７実施例は、ヨーク３を用いず、半円筒形状を呈した２つの磁石５で略円筒形状のロータ１を構成したものである。
【００３７】
２つの磁石５は、一方の磁石５からステータ２を介して他方の磁石５へ磁束が流れるように着磁されるものであり、さらに回転角度９０°側の磁束密度を高めてロータ１の検出角度範囲を広くするために半径方向に着磁されたものである（ラジアル着磁）。
このように、ラジアル着磁された２つの磁石５によってロータ１を構成するタイプの回転角度検出装置であっても、外部磁性体１１を用いることによって第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
〔変形例〕
上記の実施例では、ステータ２を固定し、ロータ１を回転させた例を示したが、逆にロータ１に相当する筒状部材を固定し、ステータ２に相当する棒状部材を回転させる構造を採用しても良い。言い換えれば、磁気検出素子（実施例ではホールＩＣ７）を回転させ、磁力発生手段（磁石５の側）を固定して磁気検出素子の出力から回転角度を検出しても良い。
上記の実施例では、磁気検出素子（実施例ではホールＩＣ７）を２つ搭載した例を示したが、１つ以上であれば良い。また、磁気検出素子（例えば、ホールＩＣ７）のみを磁気検出ギャップ８に配置し、信号増幅回路をステータ２の外部に配置しても良い。つまり、例えば、信号増幅回路を制御装置内に設けても良い。
【００４５】
上記の実施例では、磁石５を永久磁石によって構成した例を示したが、電磁石によって構成しても良い。
上記の実施例では、回転角度検出装置の具体的な一例としてスロットルバルブの開度を検出する例を示したが、産業ロボットのアーム部の回転角度等、他の回転角度を検出するように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第１実施例）。
【図２】磁束密度と回転角度との関係を示すグラフである（第１実施例）。
【図３】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図、および磁束密度と回転角度との関係を示すグラフである（第１実施例）。
【図４】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う断面図、およびそのＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である（第２実施例）。
【図５】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第３実施例）。
【図６】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第４実施例）。
【図７】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第５実施例）。
【図８】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第６実施例）。
【図９】回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第７実施例）。
【図１０】 回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第１従来例）。
【図１１】 回転角度検出装置を回転軸方向から見た図である（第２従来例）。
【符号の説明】
１ ロータ（磁力発生手段）
２ ステータ
３ ヨーク
５ 磁石
６ ステータコア（コア）
７ ホールＩＣ（磁気検出素子に相当するホール素子が内蔵されたＩＣ）
８ 磁気検出ギャップ（コアの分割部）
１１ 外部磁性体
１３ 磁気ショートカット部
α 主磁束
β 副磁束
Claims (5)
- 磁気検出素子と、この磁気検出素子に磁力を与える磁石を有した磁力発生手段とを備え、
この磁力発生手段は、径方向に分割された略円筒状を呈した磁性体製のヨークの各分割部に配置された磁石を備え、
前記磁気検出素子と前記磁力発生手段の相対回転角度の変化を、前記磁気検出素子に与えられる磁力によって検出する回転角度検出装置において、
前記磁気検出素子に対する前記磁力発生手段の回転角度が、理想直線に対して磁束が大きくなる回転角度範囲の時に、前記磁石の発生した磁束の一部を流す外部磁性体を備えるとともに、
前記外部磁性体は、前記ヨークの内周より外側に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。 - 磁気検出素子と、この磁気検出素子に磁力を与える磁石を有した磁力発生手段とを備え、
この磁力発生手段は、直径方向に分割された略円筒状の磁石であって、
前記磁気検出素子と前記磁力発生手段の相対回転角度の変化を、前記磁気検出素子に与えられる磁力によって検出する回転角度検出装置において、
前記磁気検出素子に対する前記磁力発生手段の回転角度が、理想直線に対して磁束が大きくなる回転角度範囲の時に、前記磁石の発生した磁束の一部を流す外部磁性体を備えるとともに、
前記外部磁性体は、前記磁石の内周より外側に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。 - 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
前記外部磁性体は、前記ヨークの外周位置に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。 - 請求項２に記載の回転角度検出装置において、
前記外部磁性体は、前記磁石の外周位置に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。 - 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
前記外部磁性体は、軸方向で前記ヨークと対面する位置に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
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